سیستم های كنترل

[مجید بهره مند 43111]

سیستم های كنترل

مقدمه

 

امروزه با پیشرفت فنآوری وتوسعه رایانه ها از سخت افزار كمتر بعنوان كنترل كننده استفاده می‌شود، به بیانی دیگر كنترل كننده‌ها بصورت نرم افزاری تعریف می‌شوند. در سیستم‌های اتوماسیون وظیفه اصلی كنترل بر عهده PLC است كه با گرفتن اطلاعات از طریق ترمینالهای ورودی، وضعیت ماشین را حس كرده و نسبت به آن پاسخ مناسبی فراهم می‌كند. امكان تعریف مدهای مختلف برای ترمینالهای ورودی/خروجی یك PLC این امكان را فراهم كرده تا بتوان PLC را مستقیما به المانهای دیگر وصل كرد. علاوه بر این PLC شامل یك واحد پردازشگر مركزی ( CPU) است كه برنامه كنترلی مورد نظر را اجرا می‌كند. این كنترلر آنقدر قدرتمند است كه می‌تواند هزاران I/O را در مدهای مختلف آنالوگ یا دیجیتال و همچنین هزاران تایمر/ كانتر را كنترل نماید.

 

همین امر باعث شده تا بتوان هر سیستمی از سیستم كنترل ماشین‌ها با چند I/O كه كار ساده‌ای مثل تكرار یك سیكل كاری كوچك انجام می‌دهند گرفته تا سیستم‌های بسیار پیچیده تعیین موقعیت و مكان‌یابی را كنترل نمود. این سیستم می‌تواند از طریق نوشتن چند خط برنامه تا صدها تایمر را در آن واحد كنترل و استفاده نماید. روند پیشرفت هم از ساخت كنترل كننده‌های نیوماتیك شروع و سپس كنترل كننده‌های الكترونیك/ كنترل كننده‌های قابل برنامه ریزی و مبتنی بر ریزپردازنده (اما تك حلقه‌ای)/ سیستم‌های كنترل توزیعی (DCS) و در نهایت سیستم‌های كنترل مبتنی بر فیلدباس به صنعت ارائه شد. امروزه به راحتی الگوریتم كنترل با هر زیر ساختی توسط رایانه‌ها قابل شبیه سازی است.

 

 

 

انواع سیستم كنترل

 

سیستم های كنترل بطور كلی به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

 

1- سیستم های كنترل مدار بازOpen Loop

 

2- سیستم های كنترل مدار بسته Closed Loop

 

سیستم های كنترل مدار باز:

 

سیستم كنترل مدار بازبه سیستمی گفته می شود كه كنترل كننده از وضعیت نهایی فرآیند(Process) اطلاعی ندارد. در اینگونه سیستم ها، براساس یك سری تنظیمات اولیه و در زمان معین اقداماتی از پیش تعیین شده توسط كنترل كنند صورت می پذیرد و كنترل كننده نگاه به شرایط فرآیند تحت كنترل خود نمی كند . بعنوان مثال می توان كنترل در یك ماشین لباسشویی را در نظر گرفت . بطوریكه كاربر، تایمر ماشین را روی یك وضعیت دلخواه تنظیم می كند. بعد از سپری شدن زمان تنظیم شده و انجام عمل شستشو مطابق با این دستور، كار شستشو متوقف و مراحل بعدی شامل آب كشی و خشك كردن انجام می شود . توجه به این نكته ضروری است كه ماشین هرگز نگاه به كیفیت شسته شدن لباسها نمی كند. چه بسا ممكن است زودتر از زمان تنظیم شده، لباسها شسته شده باشد و یا اینكه بعلت كثیفی بیش از حد وجود لكه های روغن بعد از توقف ماشین ، همچنان لباسها كثیف باشد. هركدام از این دو حالت ممكن می تواند در كم و یا زیاد كردن زمان تنظیم (زمان شسشو) نقش داشته باشد، اما سیستم كنترل مدار باز است و وضعیت لباسها كه همان خروجی فرآیند ما است نقشی در روند كنترل ندارد. ملاحظه می شود در این سیستم كنترل همیشه نمی توانیم از خروجی فرآیند نتیجه مطلوب را انتظار داشته باشیم. شاید گفته شود به روش سعی و خطا می توان مثلا" بجای یك بار شستن، دو بار ماشین را بكار بگیریم تا لباسها وضعیت مطلوب پیدا كنند. بدیهی است در این حالت اتلاف انرزی و زمان را خواهیم داشت كه در فرآیندهای پیجیده تر مطلوب و مقرون به صرفه نیست.

 

پس بطور كلی می توان گفت در یك سیستم كنترل مدار باز، اشكالات عمده زیر وجود دارد:

 

1- پاسخ سیستم ایده آل نیست، چون كنترل كننده از وضع خروجی فرآیند خبری ندارد.

 

2- در بیشتر موارد اتلاف انرژی خواهیم داشت.

 

1- عوامل ناخواسته (اغتشاش یا نویز) روی سیستم تاثیر می گذارد.

 

برای رفع معایت فوق می توانیم از سیستم كنترل مدار بسته استفاده كنیم.

 

سیستم كنترل مدار بسته Closed Loop

 

در سیستم های كنترل مدار بسته، كنترل كننده‌ همواره از آخرین وضعیت خروجی فرآیند آگاهی دارد و كنترل فرآیند براساس این اطلاعات می‌باشد، یعنی یك سیستم اندازه گیری داریم كه خروجی فرآیند یا همان كمیت تحت كنترل خود را اندازه گیری كرده و بعنوان عنصر تغییر پذیر فرآیند (Process Variable) به كنترل كننده داده می شود. كنترل كننده هم مقدار PV را با مقدار مطلوب یا نقطه تنظیم (Set Point) كه اپراتور به آن داده است مقایسه كرده و چنانچه اختلافی وجود داشته باشد بعنوان خطا در نظر می‌گیرد و براساس مقدار خطا و تابعی كه كنترل كننده دارد، خروجی می‌سازد. خروجی كنترل كننده هر چه باشد بعنوان سیگنال ورودی محرك بوده كه در نهایت محرك با عنصر نهایی كنترل شرایط فرآیند را بگونه‌ای تغییر می‌دهد تا به وضعیت مطلوب ( PV=SP) برسیم چنانچه خروجی فرآیند اصلاح نشود یعنی هنوز مقدار خطا مخالف صفر باشد، مراحل بالا آنقدر تكرار می‌شود تا خطا به حداقل برسد.

 

می خواهیم آب مخزن را روی مقدار مطلوب نگه داریم بطوری كه كنترل دبی آب خروجی در اختیار ما نبوده و تنها باز و بسته كردن شیر آب ورودی تحت كنترل ما باشد. حال چنانچه دبی آب مصرفی كاهش یابد، بدیهی است سطح مایع در مخزن بالاتر از مقدار مطلوب قرار خواهد گرفت. در این حالت برای جبران ، كافیست شیر آب ورودی نیز بسته تر شود. تمامی اعمالی كه در اینجا برای داشتن كنترل خوب نیاز است توسط شخصی كه در محل سایت حضور دارد انجام می پذیرد. به عبارتی، این شخص مقدار واقعی سطح مایع (PV) را از روی نشاندهنده Indicator قرائت كرده و آنرا با مقدار مطلوب (SP) مقایسه می كند بعد از محاسبه مقدار خطا (E= SP-PV) برای بهبود بخشیدن به شرایط فرآیند تصمیم می گیرد كه تغییراتی (هر چند جزئی) در میزان باز یا بسته بودن شیر آب ورودی بدهد. در نهایت این تصمیم توسط شخص اجرا میشود. توسط این شخص دارد كه هر كدام از این خطاها ممكن است باعث شود تا كنترل خوبی نداشته باشیم (PV رویSP منطبق نشود). پس در حالت كلی می توان خطای سیستم كنترل مدار بسته دستی را بدینگونه دسته بندی كرد:

 

1- خطای دید و اندازه گیری

 

1- خطای محاسباتی

 

2- خطای تصمیم گیری

 

4- خطای عملیاتی

 

كه هركدام از خطاهای چهار گانه بالا به تنهایی و یا تركیبی از آن می تواند در عملیات كنترلی مشخص وارد شده و در نهایت كنترل خوبی نداشته باشیم.

 

در حالت كلی اگر منظور از كنترل، كنترل سطح آب در یك مخزن با مصرف نه چندان حیاتی باشد می توان از روش كنترل دستی بهره گرفت . اما در سیستم های پیچیده تر فرآیندی سیستم كنترل دستی نمی تواند پاسخگو باشد. هر چند در این روش كنترل نیز از دیاگرام بلوكی كنترل Feedback استفاده كرده ایم اما برای داشتن كنترلی مطمئن ترجیحا از سیستم كنترل مدار بسته خودكار استفاده می كنیم. از ویژگی های این روش كنترل ، ضمن ارزانی قیمت سیستم كنترل و آسانی بهره برداری از آن، پایداری و ثبات شرایط فرآیند بوده بویژه اینكه در مقابل عوامل ناخواسته و اغتشاش توانایی مقابله دارد.

 

سیستم كنترل مدار بسته الزاما دستی نیست بلكه هنگامی كه صحبت از سیستم كنترل مدار بسته می آید، منظور سیستم های كنترل خودكار است.

 

مودهای كنترل

 

بطور كلی سیستم های كنترل مدار بسته به دو گروه عمده زیر تقسیم می شوند:

 

- كنترل كننده های ناپیوسته Discrete Control یا On-Off Control

 

- كنترل كننده های پیوسته Continuous Control

 

هر دو سیستم كنترل از دیاگرام بلوكی بنحوی تبعیت می كند و تنها با تفاوتهایی جزئی كه با ماهیت هر روش ارتباط دارد و در جای خود تشریح خواهد شد . عمل كنترل را انجام می دهند.

 

كنترل كننده های ناپیوسته

 

كنترل كننده های ناپیوسته دارای خصوصیات زیر هستند:

 

1- سیگنال ارسالی از طرف عناصر اولیه Primary Elements بصورت صفرو یك Binary است.

 

2- این كنترل كننده از توابع پیچیده تبعیت نمی كند و درشبیه سازی فرآیند از مدل های ریاضی خبری نیست به بیانی دیگر در كنترل كننده از مدارات منطقی Logic Diagram كه بسادگی قابل تحلیل ، طراحی و ساخت است استفاده می شود.

 

3- عناصر نهایی كنترل (از جمله الكتروموتورها، شیرهای كنترل و...) نیز بصورت On و Off عمل می كنند.

 

ماهیت كنترل كننده های ناپیوسته:

 

كنترل كننده های ناپیوسته سیگنالهای صفر و یك را بعنوان ورودی گرفته و مطابق با منطقی كه باید به آن عمل كند این سیگنالها را پردازش می كند.

 

پردازش سیگنال در یك كنترل كننده نا پیوسته توسط تعدادی تایمر، سلولهای حافظه و بعضی عملگرهای منطقی دیگر انجام می شود كه مطابق با نیاز فرآیند طراحی شده است . امروزه با پیشرفت فناوری از كنترل كننده های قابل برنامه ریزی یا PLC استفاده می شود.

 

برای تشریح كنترل كنند نا پیوسته همان مثال ساده كنترل سطح مایع در مخزن را مجددا با فرض اینكه توسط سیستم كنترل دو وضعیتی تحت كنترل قرار دارد در نظر می گیریم.

 

 

 

چنانچه حلقه كنترل این سیستم را بطور مجازی با دیاگرام بلوكی كنترل مدار بسته مقایسه كنیم، در اینجام یك Level Switch بعنوان اندازه گیر مطرح است كه با تنظیم مقدار مطلوب روی این سوئیچ مقایسه كننده نیز می توان در این سوئیچ گنجانده شود. خروجی سوئیچ مورد نظر یك كنتاكت Normally Open بوده و درصورتیكه سطح مخزن از مقدار مطلوب(SP) پایین تر بیاید این كنتاكت بحالت بسته در می آید. كنترل كننده هم از مدار ساده یك رله بعنوان مدار منطقی كمك گرفته است . بعد از كاهش سطح مایع و عمل كردن كنتاكت مربوطه و رله و بدنبال آن شیرSolenoid Valve تماما" off می شوند.